Une équipe internationale de chercheurs a développé un nouveau mécanisme pour protéger les enzymes de l'oxygène en tant que biocatalyseurs dans les piles à combustible. Les enzymes, appelées hydrogénases, sont tout aussi efficaces que les catalyseurs de métaux précieux, mais instables au contact de l'oxygène. Ils ne sont donc pas encore adaptés aux applications technologiques. Le nouveau mécanisme de protection est basé sur des enzymes consommant de l'oxygène qui tirent leur énergie du sucre. Les chercheurs ont montré qu'ils étaient capables d'utiliser ce mécanisme de protection pour produire une biopile fonctionnelle qui fonctionne avec de l'hydrogène et du glucose comme carburant.

L'équipe dirigée par le Dr Adrian Ruff et le professeur Wolfgang Schuhmann du Centre des sciences électrochimiques de la Ruhr-Universität Bochum décrit les résultats dans la revue Communication Nature du 10 septembre 2018 avec des collègues de l'Institut Max Planck pour la conversion d'énergie chimique à Mülheim an der Ruhr et de l'Université de Lisbonne.

L'équipe du Bochum Center for Electrochemical Sciences avait déjà montré dans des études antérieures que les hydrogénases peuvent être protégées de l'oxygène en les incorporant dans un polymère. "Toutefois, ce mécanisme consomme des électrons, qui a réduit les performances de la pile à combustible, " dit Adrian Ruff. " De plus, une partie du catalyseur a été utilisée pour protéger l'enzyme. » Les scientifiques ont donc cherché des moyens de découpler le système catalytiquement actif du mécanisme de protection.

Les enzymes piègent l'oxygène

A l'aide de deux enzymes, ils ont construit un système d'élimination de l'oxygène autour de l'électrode productrice de courant. D'abord, les chercheurs ont enduit l'électrode d'hydrogénases, qui ont été noyés dans une matrice polymère pour les fixer en place. Ils ont ensuite placé une autre matrice polymère au-dessus de l'hydrogénase, qui enferme complètement la couche de catalyseur sous-jacente. Il contenait deux enzymes qui utilisent le sucre pour convertir l'oxygène en eau.

L'hydrogène est oxydé dans la couche contenant l'hydrogénase au fond. L'électrode absorbe les électrons libérés dans le processus. La couche supérieure élimine l'oxygène nocif.

Pile à combustible fonctionnelle construite

Dans d'autres expériences, le groupe a combiné les bioanodes décrites ci-dessus avec des biocathodes, qui sont également basés sur la conversion du glucose. De cette façon, l'équipe a produit une biopile fonctionnelle. "Le glucose de biomasse bon marché et abondant n'est pas seulement le carburant du système de protection, mais entraîne également la biocathode et génère ainsi un flux de courant dans la cellule, " résume Wolfgang Schuhmann, directeur du Centre des sciences électrochimiques et membre du pôle d'excellence Ruhr Explores Solvation. La cellule avait une tension en circuit ouvert de 1,15 volts – la valeur la plus élevée jamais atteinte pour une cellule contenant une bioanode à base de polymère.

"Nous supposons que le principe derrière ce mécanisme de bouclier protecteur peut être transféré à n'importe quel catalyseur sensible si l'enzyme appropriée est sélectionnée pour catalyser la réaction d'interception correspondante, " dit Wolfgang Schuhmann.